JP6472719B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、超音波診断装置に関する。

前立腺癌治療のための放射性物質を被検体の体内に留置する前立腺癌小線源治療や、病変部位の細胞を採取して細胞の状態を調べる細胞診などの診療においては、被検体に穿刺針を挿入する。穿刺針の挿入は、被検体内部の様子を観察しながら行うことが必要であり、超音波診断装置で超音波画像を取得することがある。

超音波画像を取得するために用いるプローブには、穿刺対象部位や穿刺針の進入の様子を多方向に観察するため、超音波を送受信する振動子アレイを複数種類有するものがあり、観察対象に応じて、どの振動子アレイで取得した超音波画像を表示させるかを切り替えることができる。従来の超音波診断装置では、どの振動子アレイで取得した超音波画像を表示させるかは、コンソールにおいて手動で切り替えていた。

このような従来の超音波診断装置では、穿刺を行う術者の他に、どの振動子アレイで取得した超音波画像を表示させるかを切り替える操作者が必要となり、人手が多くかかる。また、一人の術者で超音波画像の表示の切り替えも行おうとすると、穿刺の作業から意識が離れてしまうことがあり、穿刺針の操作を誤るおそれがある。

特開２００７−３３０２８６号公報

本発明が解決しようとする課題は、簡便な操作で安全に穿刺針の操作が行える超音波診断装置を提供することである。

実施形態の超音波診断装置は、被検体に挿入される器具を観察可能なプローブであって、前記器具の挿入方向と平行な面で超音波走査する第１の振動子アレイと前記第１の振動子アレイの走査面とは異なる面を超音波走査する第２の振動子アレイとを備えたプローブと、前記第１の振動子アレイが受信した超音波信号に基づいて第１の超音波画像を生成し、前記第２の振動子アレイが受信した超音波信号に基づいて第２の超音波画像を生成する、画像生成部と、前記第１の超音波画像と前記第２の超音波画像とのうち少なくとも１つを表示する表示部と、前記器具と前記第２の振動子アレイの走査面との位置関係情報を取得する位置情報取得部と、前記位置情報取得部が取得した位置関係情報に基づいて、前記第１の振動子アレイと前記第２の振動子アレイとのうちどちらを走査可能とするかを判定する判定部、を備える。

第１の実施形態にかかる超音波診断装置の概略図。 第１の実施形態にかかる振動子アレイを複数種類有するプローブの斜視図。 第１の実施形態にかかるいずれの振動子アレイで走査するかを自動で切り替えるフローを示す図。 第１の実施形態にかかるプローブと穿刺針と穿刺対象物の位置関係を示す図。 第１の実施形態にかかる被検体の体軸方向の断面図。 第１の実施形態にかかるディスプレイにおける表示画像の例を示す図。 第１の実施形態にかかるプローブで穿刺対象物を各振動子アレイで走査する様子を示す図。 第２の実施形態にかかる超音波診断装置の概略図。 第２の実施形態にかかる第１の超音波画像上に現れた穿刺針の様子を示す図。

以下、発明を実施するための実施形態について説明する。実施形態における、画像解析機能１４１、画像生成機能１５１、判定機能１５３を実行する処理回路は、それぞれ特許請求の範囲における、画像解析部、画像生成部、判定部の一例である。また、実施形態におけるディスプレイ１６は、特許請求の範囲における表示部の一例である。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る超音波診断装置１は、被検体に挿入される器具とプローブ１０との位置関係情報を出力する位置情報取得部１４を備え、処理回路１５の判定機能１５３が位置関係情報に基づいていずれの振動子アレイで走査するかを判定する。以下、第１の実施形態に係る超音波診断装置１が備える各部を説明し、続いて、いずれの振動子アレイで走査するかを自動で切り替える流れについて詳述する。

図１は、第１の実施形態にかかる超音波診断装置１の概略図を示す。超音波診断装置１は、超音波を送受信する振動子アレイ１０１を有するプローブ１０と、送信回路１１と、受信回路１２と、画像生成機能１５１や走査制御機能１５２、判定機能１５３を有する処理回路１５と、ディスプレイ１６と、記憶回路１７と、操作者の入力を受け付ける入力回路１８と、プローブ１０などの位置関係情報を出力する位置情報取得部１４と、を備える。本実施形態では、画像生成機能１５１、走査制御機能１５２、判定機能１５３は、コンピュータによって実行可能なプログラムの形態で記憶回路１７に記憶されている。処理回路１５はプログラムを記憶回路１７から読み出し、実行することで各プログラムに対応する機能を実現するプロセッサである。換言すると、各プログラムを読み出した状態の処理回路１５は、図１の処理回路１５内に示された各機能を有することとなる。なお、図１においては単一の処理回路１５上で、画像生成機能１５１、走査制御機能１５２、判定機能１５３の各機能が実現されるものとして説明しているが、複数の独立したプロセッサを組み合わせて処理回路を構成し、各プロセッサがプログラムを実行することにより機能を実現するものとしても構わない。

本実施形態では、プローブ１０で被検体を走査しながら、別途器具を被検体内部に挿入する。被検体に挿入される器具は、例えば穿刺針２０である。

プローブ１０は、複数の振動子を有する。振動子は、電圧が印加されると振動して超音波を送信し、超音波の振動を受信すると電圧を発生する。複数の振動子をまとめて配列し、振動子アレイ１０１を構成することで、対象物を２次元的に走査できる。例えば、振動子を直線上に配列したリニア型やセクタ型、振動子を凸状に配列したコンベックス型が挙げられる。また、振動子アレイ１０１は、走査方向が傾斜させられるように構成してもよい。本実施形態におけるプローブ１０は、振動子アレイ１０１を複数種類有する。図２は、２つの振動子アレイ１０１を有するプローブ１０の斜視図を示す。図２のプローブ１０は、肛門などから体腔内に挿入可能なように、把持部１０２からプローブ１０の先端部までが細長い形状となっている。このプローブ１０は、挿入方向と平行な面で走査する第１の振動子アレイ１０１ａと、第１の振動子アレイ１０１ａの走査面とは異なる面を超音波走査する第２の振動子アレイ１０１ｂとを備える。第１の振動子アレイ１０１ａの走査面を含む平面と第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面を含む平面とは交差する。ここで言う「平面」とは、無限遠に広がる面を指し、一方で「走査面」は振動子アレイ１０１で走査可能な有限の面を意味する。以下、同様な定義で平面と走査面とを用いる。

例えば、プローブ１０は、第１の振動子アレイ１０１ａの走査面に対して第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面が垂直となるように構成する。図２では、白地に黒の斜線を付した領域が第１の振動子アレイ１０１ａで、黒地に白の斜線を付した領域が第２の振動子アレイ１０１ｂである。２つの振動子アレイ１０１の走査面は垂直な関係となるように構成している。各振動子アレイは、例えば第１の振動子アレイ１０１ａをリニア型に、第２の振動子アレイ１０１ｂをコンベックス型で構成する。このほか、振動子アレイの種類の組み合わせは任意に設定でき、コンベックス型とコンベックス型というように同じ種類の組み合わせでもよい。また、第１の振動子アレイ１０１ａの走査面と第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面との位置関係は、垂直な関係に限らず、例えば、第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面が、第１の振動子アレイ１０１ａに垂直な面に対して所定の角度傾くようにプローブ１０を構成してもよい。

送信回路１１は、各振動子を振動させるための電圧である駆動パルスを所定の間隔で送信する。

受信回路１２は、被検体で反射した超音波信号を各振動子が受信して電気信号（電圧）に変換し、受信信号を出力する。

処理回路１５の画像生成機能１５１は、受信回路１２が出力した受信信号を、超音波信号の送信時の設定に基づいて処理し、超音波画像を生成する。この超音波画像は、例えば、超音波の反射波の強度の違いを輝度の違いで表現したＢモード画像である。また、画像生成機能１５１は、超音波画像を加工してディスプレイ１６で表示する表示画像を生成する。

なお、送信回路１１と受信回路１２と処理回路１５の画像生成機能１５１とは、プローブ１０に内蔵させてもよい。

位置情報取得部１４は、プローブ１０と穿刺針２０の位置関係情報を取得する。位置関係情報は、例えばプローブ１０と穿刺針２０のそれぞれの３次元座標情報や、プローブ１０と穿刺針２０との距離情報である。

位置情報取得部１４は、例えば磁気センサなどの位置センサ１４１を有する。磁気センサを有する位置情報取得部１４は、磁場発生器１４２と、位置センサ１４１としての磁気センサと、位置情報算出回路１４３とを備えている。磁気センサは、プローブ１０と穿刺針２０のそれぞれの表面あるいは内部に取り付けられ、磁場発生器１４２が発生する磁場を検出して電気信号を出力する。位置情報算出回路１４３は、磁気センサが出力した電気信号に基づいて、任意の点を原点とした、磁気センサの３次元座標情報と傾き情報とを算出する。

入力回路１８は、押しボタンやダイヤル、タッチパネルなどのインターフェイスからの入力信号を取得し、操作者からの操作入力を受け付ける。入力回路１８が受け付けた操作入力は、走査制御機能１５２に送られ、使用するプローブ１０の種類の指定やプローブ１０の走査方向、駆動させる振動子アレイ１０１の選択を行う。

処理回路１５の走査制御機能１５２は、送信回路１１が振動子に駆動パルスを送信する。また、走査制御機能１５２は、複数種類の振動子アレイ１０１のうちいずれで走査するかを制御する。

処理回路１５の判定機能１５３は、位置情報取得部１４が取得したプローブ１０と穿刺針２０の位置関係情報に基づいて、第１の振動子アレイ１０１ａと第２の振動子アレイ１０１ｂとのうち、いずれの振動子アレイ１０１で走査するかを判定する。走査させる振動子アレイ１０１が判定されると、判定機能１５３は、走査させる振動子アレイ１０１を指定する情報を走査制御機能１５２に送り、走査制御機能１５２は、送られてきた情報に基づいて送信回路１１を制御する。また、画像生成機能１５１は、走査中の振動子アレイ１０１に対応する超音波画像をディスプレイ１６に出力する。

第１と第２のいずれの振動子アレイ１０１で走査するかは、例えば、穿刺針２０の先端部から第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面を含む平面までの距離に基づいて決定する。第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面の位置情報は、プローブ１０に取り付けられた磁気センサの出力に基づいて取得されるプローブ１０の３次元座標情報と、プローブ１０における第２の振動子アレイ１０１ｂの配置位置情報と、第２の振動子アレイ１０１ｂの走査方向とを取得すれば算出できる。また、穿刺針２０の先端部の位置情報は、穿刺針２０に取り付けられた磁気センサの出力に基づいて取得される穿刺針２０の３次元座標情報と、事前に登録しておいた穿刺針２０の先端部から磁気センサまでの距離とを用いて算出できる。また、穿刺針２０の先端部に磁気センサが取り付けられている場合は、その磁気センサの３次元座標情報をそのまま穿刺針２０の先端部の３次元座標情報として用いることができる。

また、処理回路１５の判定機能１５３は、第１と第２のいずれの振動子アレイ１０１で走査するかを判定する頻度の調整や判定処理の一時停止を入力回路１８からの入力に基づいて行うことができる。頻度の調整とは、例えば、判定が行われるタイミングの最小時間間隔の設定である。走査させる振動子アレイ１０１を判定する頻度を調整する機能により、超音波画像が頻繁な判定処理によって過度に切り替わり視認性が低下する、といったことを防止できる。

位置情報取得部１４で取得した位置関係情報に基づいて、第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面を含む平面を３次元方程式で表現すると、数式（１）のようになる。

数式（１）において、ａ、ｂ、ｃ、ｄは定数で、ｘ、ｙ、ｚは変数である。穿刺針２０の先端部の３次元座標情報が、位置情報取得部１４から（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）と出力される場合、穿刺針２０の先端部から第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面を含む平面までの距離Ｌは数式（２）に基づいて求められる。

上記では、操作させる振動子アレイ１０１を決定するために、穿刺針２０の先端部から第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面を含む平面までの距離を用いたが、この他、穿刺針２０の先端部とは異なる穿刺針２０上の任意の一点から第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面を含む平面までの距離を用いてもよい。また、穿刺針２０の進行方向を推定して、その進行方向と第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面を含む平面との交点を求め、この交点から穿刺針２０の先端部までの距離を用いてもよい。

ディスプレイ１６は、液晶やＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などで構成され、画像生成機能１５１が生成した超音波画像を表示する。また、ディスプレイ１６は、超音波画像に加えて、穿刺針２０の操作案内を表示することもできる。ディスプレイ１６で表示される超音波画像は、動画像でも静止画像でもよい。

記憶回路１７は、過去に取得した超音波画像やプローブ１０の設定情報を記憶する。記憶回路１７は、ハードディスクや半導体メモリ（例えば、ランダムアクセスメモリやソリッドステートドライブ、ＵＳＢメモリ）などで構成される。記憶回路１７は、内蔵ドライブとして構成してもよいし、外付けのリムーバブルメディアとして構成してもよい。なお、記憶回路１７は、ＤＶＤやＣＤなどから情報を読み出すことが可能なメディアプレーヤーとして構成してもよい。

以下に、処理回路１５がいずれの振動子アレイ１０１で走査するかを自動で切り替える処理の流れについて、図３のフローチャートを参照して説明する。なお、この流れを説明するにあたり、図４に示す、プローブ１０と、穿刺針２０と、プローブ１０に取り付けられた穿刺ガイド２１と、前立腺３０との位置関係を参照する。図４では、穿刺針２０が挿入される方向から見た図と穿刺針２０が挿入される方向と直交する方向から見た図とを並べて示している。また、プローブ１０の第１の振動子アレイ１０１ａと第２の振動子アレイ１０１ｂのそれぞれの走査面を実線または破線で示した。実線で示される走査面は、走査中の振動子アレイ１０１の走査面であり、破線で示される走査面は、走査を停止している振動子アレイ１０１の走査面である。さらに、図５に示す被検体の体軸断面とプローブ１０の位置関係を参照する。前立腺３０は、穿刺対象物の一例であり、被検体内部の他の部位であってもよい。

まず、いずれの振動子アレイ１０１で走査するかを自動で切り替える処理を開始する操作入力を入力回路１８が受け付け、処理回路１５が走査させる振動子アレイ１０１の自動切り替え処理を開始する。操作者は、図５に示す被検体の体軸方向の断面図のように、プローブ１０を被検体の直腸３１に挿入し、前立腺３０を第２の振動子アレイ１０１ｂで走査可能な位置までプローブ１０を押し進める。また、プローブ１０の長手方向を軸としてプローブ１０を回転させ、穿刺針２０の推定到達点が前立腺３０の適切な位置となるように調整する。穿刺針２０の推定到達点は、例えば、穿刺ガイド２１の孔の位置を事前に取得しておくことによって求めることができる。穿刺ガイド２１は、プローブ１０に取り付けて用いる、穿刺針２０の挿入方向をガイドするための、穿刺針２０の径よりも大きい径の孔を複数有する金属部材である。

ステップＳ１は、処理回路１５の判定機能１５３を起動させるステップである。処理回路１５が記憶回路１７から判定機能１５３に対応する所定のプログラムを呼び出して実行することにより、判定機能１５３は起動する。

ステップＳ２は、処理回路１５の画像生成機能１５１が第２の振動子アレイ１０１ｂで受信した超音波信号に基づいて順次第２の超音波画像を生成するステップである。第２の超音波画像は順次画像が更新される動画像である。

ステップＳ３は、ディスプレイ１６が第２の超音波画像を表示するステップである。Ｓ３のステップにおいて、プローブ１０と穿刺針２０と前立腺３０とは、図４（ａ）に示す位置関係にある。このとき操作者は、第１の振動子アレイ１０１ａで走査して得られる第１の超音波画像を見て、穿刺針２０の進行方向を調整する。例えば、図４（ａ）の穿刺針２０の進行方向から見た図のように、第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面で前立腺３０をとらえ、プローブ１０を長手方向を軸にして回転させ、前立腺３０の所望の部位に穿刺針２０が刺さるようにする。同図において第２の振動子アレイの走査面上に点列を示したが、これは穿刺針２０の推定到達点である。画像生成機能１５１は穿刺ガイド２１の各孔に対応した推定到達点を超音波画像に重ねあわせた表示画像を生成することができ、操作者はディスプレイ１６に表示される表示画像を見ながら穿刺針２０の推定到達点を調整する。Ｓ３のステップにおいては、第１の振動子アレイの走査面の領域内に穿刺針２０は進入していない状態である。

ステップＳ４は、位置情報取得部１４が位置関係情報を取得するステップである。位置情報取得部１４は、例えば、磁気センサが出力する、プローブ１０と穿刺針２０の３次元座標情報を位置関係情報として出力する。

ステップＳ５は、処理回路１５の判定機能１５３が、位置情報取得部１４が出力する位置関係情報に基づいて、穿刺針２０が第１の振動子アレイ１０１ａの走査面に十分近づいたかどうかを判定するステップである。以下に示す処理では、穿刺針２０と第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面を含む平面までの距離を求めることで、間接的に穿刺針２０が第１の振動子アレイ１０１ａの走査面に十分近づいたかを判定している。

穿刺針２０の先端部から第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面までの距離を図４（ａ）の穿刺針２０の進行方向と直交する方向から見た図のようにＬ_２とする。また、穿刺針２０と第１の振動子アレイ１０１ａの走査面とが十分近づいたかを判定するための閾値としてＴ_１を定める。Ｔ_１は、例えば図４（ｂ）の穿刺針２０の進行方向と直交する方向から見た図のように、第１の振動子アレイ１０１ａの長手方向の把持部１０２側端点から第２の振動子アレイ１０１ｂまでの距離である。このようにＴ_１を設定すると、Ｌ_２がＴ_１よりも小さくなる時が、穿刺針２０の先端部が第１の振動子アレイ１０１ａの走査面に進入する時点となり、判定機能１５３は穿刺針２０が第１の振動子アレイ１０１ａの走査面に十分近づいたと判定できる。Ｔ_１の定め方は、上記に限定するものではなく、穿刺針２０の先端部が第１の振動子アレイ１０１ａの走査面から所定の距離だけ離れている場合の値を適用してもよいし、穿刺針２０の先端部が所定の距離以上走査面に進入した場合の値を適用してもよい。

なお、Ｌ_２がＴ_１と一致した場合は、直前に取得した穿刺針２０の３次元座標情報から穿刺針２０の進行方向を求め、進行方向が第１の振動子アレイ１０１ａの走査面へ近づく方向であれば、判定機能１５３は穿刺針２０が第１の振動子アレイ１０１ａの走査面に十分近づいたと判定する。また、Ｌ_２がＴ_１と一致した場合は判定を見送ってもよい。

判定機能１５３が、穿刺針２０が第１の振動子アレイ１０１ａの走査面に十分近づいたと判断した場合は、ステップＳ６へ進み、そうでない場合は、ステップＳ４へ戻る。このＳ５のステップにおける、プローブ１０と穿刺針２０と前立腺３０とは、図４（ｂ）に示す位置関係にあり、第１の振動子アレイ１０１ａの走査面の領域内に穿刺針２０が進入している。

ステップＳ６は、処理回路１５の走査制御機能１５２が第２の振動子アレイ１０１ｂから第１の振動子アレイ１０１ａへ走査させる振動子アレイ１０１を切り替えるステップである。走査制御機能１５２は、まず送信回路１１を制御して、第２の振動子アレイ１０１ｂによる走査を停止し、第１の振動子アレイ１０１ａによる走査を開始させる。

ステップＳ７は、画像生成機能１５１が第１の振動子アレイ１０１ａで受信した超音波信号に基づいて順次第１の超音波画像を生成するステップである。第１の超音波画像は順次画像が更新されていく動画像である。

ステップＳ８は、ディスプレイ１６が第１の超音波画像を表示するステップである。ディスプレイ１６が第１および第２の超音波画像を表示する様子を図６に例示する。図６は、図７（ｂ）に示すように第１の振動子アレイ１０１ａをリニア型とし、図７（ａ）に示すように、第２の振動子アレイ１０１ｂをコンベックス型としたプローブ１０で前立腺３０を走査する場合に、各振動子アレイ１０１で走査して得られる超音波画像をディスプレイ１６が表示する様子を示す。両向き矢印は、走査させる振動子アレイ１０１が、第１の振動子アレイ１０１ａと第２の振動子アレイ１０１ｂとで互いに切り替わることを意味する。

図６（ａ）は、走査可能な状態の振動子アレイ１０１に対応する超音波画像を単独でディスプレイ１６が表示した様子を示す。左側は、第２の振動子アレイ１０１ｂが走査中の場合で、右側は第１の振動子アレイ１０１ａが走査中の場合である。

図６（ｂ）は、走査させる振動子アレイ１０１の切り替えに際して、切り替え後に走査を開始した振動子アレイ１０１に対応する超音波画像と、切り替え後に走査を停止した振動子アレイ１０１に対応する超音波画像とを並べて表示した様子を示す。切り替え後に走査を開始した振動子アレイ１０１に対応する超音波画像は、動画像として表示される。一方、切り替え後に走査を停止した振動子アレイ１０１に対応する超音波画像は、切り替え直前に生成された超音波画像を静止画像表示したものである。
切り替え後に走査を開始した振動子アレイ１０１に対応する超音波画像は、枠の色や太さで強調表示される。図６（ｂ）に示される、両向き矢印を挟む２つの表示画像に関して、左側は、第２の振動子アレイ１０１ｂが走査中の場合で、右側は第１の振動子アレイ１０１ａが走査中の場合である。例えば、走査させる振動子アレイ１０１が、第２の振動子アレイ１０１ｂから第１の振動子アレイ１０１ａへ切り替わった時、第１の超音波画像は太い枠付きで表示される。

図６（ｃ）は、走査させる振動子アレイ１０１の切り替えに際して、切り替え後に走査を開始した振動子アレイ１０１に対応する超音波画像に加えて、その超音波画像よりも小さなサイズで、切り替え後に走査を停止した振動子アレイ１０１に対応する超音波画像を表示する。図６（ｃ）に示される、両向き矢印を挟む２つの表示画像に関して、左側は、第２の振動子アレイ１０１ｂが走査中の場合で、右側は第１の振動子アレイ１０１ａが走査中の場合である。切り替え後に走査を停止した振動子アレイ１０１に対応する超音波画像は、図６（ｂ）と同様に切り替え直前に生成された超音波画像を静止画表示した画像である。

Ｓ８のステップでディスプレイ１６が超音波画像に基づく表示画像を表示する方法をいくつか示したが、どの表示画像形式を採るかは、操作者が入力回路１８を介して指定することができ、また術者に応じたプリセットを記憶回路１７に記憶させることもできる。

ステップＳ９は、ステップＳ４と同様に位置情報取得部１４が位置関係情報を取得するステップである。位置情報取得部１４は、例えば、磁気センサが出力する、プローブ１０と穿刺針２０の３次元座標情報を位置関係情報として出力する。

ステップＳ１０は、判定機能１５３が、穿刺針２０が第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面に近づいたかどうかを判定するステップである。Ｓ１０のステップに入る時点では、図４（ｃ）に示すように穿刺針２０が穿刺対象物に到達したあと、術者は、穿刺針２０の位置を固定したまま、プローブ１０を挿入方向とは逆の方向に、図４（ｅ）に示す穿刺針２０の先端部が第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面で捉えられるところまで引き抜く。

穿刺針２０が第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面を含む平面に十分近づいたかを判定するための閾値としてＴ_２を定める。Ｔ_２は、例えば、第１の振動子アレイ１０１ａの長手方向の第２の振動子アレイ１０１ｂ側端点と第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面を含む平面までの距離とする。図４（ｃ）の、穿刺針２０の進行方向と直交する方向から見た図にＴ_２を示す。操作者がプローブ１０を引き抜いていき、図４（ｄ）に示す、Ｌ_２＝Ｔ_２となる時点を境界とし、Ｌ_２＜Ｔ_２となった時に、判定機能１５３は、穿刺針２０が第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面に十分近づいたと判定する。図４（ｄ）では、第１の振動子アレイ１０１ａの走査面と第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面とをともに実線で示しているが、これは第１と第２の振動子アレイが同時に走査していることを意味しているのではなく、どちらの振動子アレイ１０１で走査させてもよいことを意味する。なお、穿刺針２０が第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面に十分近づいたかの判定は、Ｌ_２＝０として、第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面を含む平面と穿刺針２０の先端部が交わるときとしてもよい。さらに、第１の振動子アレイ１０１ａの長手方向の第２の振動子アレイ１０１ｂ側端点と第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面を含む平面との間の任意の点から第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面を含む平面までの距離をＴ_２としてもよい。このようにＴ_２を設定すると、Ｌ_２がＴ_２よりも小さくなる時が、穿刺針２０の先端部が第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面に十分近づいた、あるいは到達した時点となり、判定機能１５３は、穿刺針２０が第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面に十分近づいたと判定する。

なお、Ｌ_２がＴ_２と一致した場合は、直前に取得した穿刺針２０の３次元座標情報から穿刺針２０の進行方向を求め、進行方向が第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面へ近づく方向であれば、判定機能１５３は穿刺針２０が第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面に十分近づいたと判定する。また、Ｌ_２がＴ_２と一致した場合は判定を見送ってもよい。

判定機能１５３が、穿刺針２０が第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面に十分近づいたと判断した場合はＳ１１へ進み、そうでない場合はＳ９へ戻る。

ステップＳ１１は、処理回路１５の走査制御機能１５２が、走査させる振動子アレイ１０１を第１の振動子アレイ１０１ａから第２の振動子アレイ１０１ｂへ切り替えるステップである。走査制御機能１５２は、まず送信回路１１を制御して、第１の振動子アレイ１０１ａによる走査を停止し、第２の振動子アレイ１０１ｂによる走査を開始する。

ステップＳ１２は、画像生成機能１５１が第２の振動子アレイ１０１ｂで受信した超音波信号に基づいて順次第１の超音波画像を生成するステップである。第２の超音波画像は順次画像が更新されていく動画像である。

ステップＳ１３は、ディスプレイ１６が第２の超音波画像を表示するステップである。Ｓ１３のステップにおいて超音波画像を表示する方法は、ステップＳ８で説明した第１の超音波画像を表示する手順と同様である。

Ｓ１４は、走査させる振動子アレイ１０１の自動切り替え処理を終了するか否かを判断する。例えば、入力回路１８が操作者の入力を受け付けて終了する。穿刺を終えて穿刺針２０を引き抜き、再び異なる部位に対して穿刺を行う場合などは、Ｓ４に戻って同様なフローを繰り返す。

以上に説明したフローにおけるステップＳ６とステップＳ１１では、走査制御機能１５２が送信回路１１を制御して、複数種類ある振動子アレイ１０１のうちいずれか１つを走査させていた。プローブ１０が、上記とは異なり複数の振動子アレイ１０１で同時に走査可能な構成を有する場合でも、上記のフローと同様に超音波画像の生成と表示を行うことができる。例えば、図４（ｂ）に示す、第１の振動子アレイ１０１ａの走査面が観察の対象である場合は、処理回路１５の画像生成機能１５１が、第１の振動子アレイ１０１ａが受信する超音波信号に対してのみ画像化処理を行い、第２の振動子アレイ１０１ｂが受信する超音波信号に対しては画像化処理を行わない。これにより、走査可能な振動子アレイ１０１が１つのプローブ１０を用いた上記フローと同様に、観察対象の振動子アレイ１０１に対応する超音波画像は動画表示させ、もう一方の振動子アレイ１０１に対応する超音波画像は静止画表示させる、といったことが可能になる。

以上、被検体に挿入される器具を穿刺針２０として説明したが、位置情報取得部１４で位置が取得でき、被検体の診断や治療に用いられる器具であれば、本実施形態と同様な効果を得られる。また、位置センサ１４１を磁気センサとして説明したが、位置情報を取得できる超音波センサと傾き情報を取得できるジャイロセンサとを併用することで、磁気センサに置き換えることもできる。さらには、赤外線や電波を用いてプローブ１０や穿刺針２０の位置情報を求めることができるセンサ、あるいは、プローブ１０や穿刺針２０の移動量をモーターなどの駆動部の駆動量に基づいて位置情報を求める計測器を位置センサ１４１として用いることも可能である。

上述した第１の実施形態によれば、位置情報取得部１４が出力する位置関係情報に基づいて、判定機能１５３が穿刺針２０と第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面を含む平面との距離を求め、その距離に応じて第１の振動子アレイ１０１ａと第２の振動子アレイ１０１ｂとのうちいずれで走査するかを判定する。これにより、どの振動子アレイ１０１で走査して得られる画像を表示させるかを術者が穿刺針２０の位置に応じて手動で変更する必要がなくなる。術者が一人で穿刺する場合には、穿刺針２０やプローブ１０から手を離すことなく穿刺作業を行えるので安全である。また、プローブ１０や穿刺針２０の操作を行う術者の他に、どの振動子アレイ１０１で走査して得られる画像を表示させるかを変更する操作者を配置していた場合には、その操作者が不要となるので従来の超音波診断装置１よりも少ない人手で穿刺を行うことができるようになる。

また、ディスプレイ１６が現在の穿刺針の位置において注目したい方の振動子アレイ１０１が走査して得た超音波画像を動画像表示し、現在注目する必要のない振動子アレイ１０１に対応する超音波画像は、非表示にするか、または、静止画像で表示する。これにより、どちらの振動子アレイ１０１で走査した超音波画像に注目すべきか迷ってしまったり、注目すべきでない超音波画像に気を取られてしまったりする心配がない。

なお、プローブ１０に、走査させる振動子アレイ１０１を切り替えるスイッチなどを設けることも考えられるが、構造の複雑化で把持する部分が大きくなり操作性が低下したり、把持した時に誤作動させてしまったりするおそれがあるので、本実施形態の超音波診断装置１のように、処理回路１５の判定機能１５３がいずれの振動子アレイ１０１で走査した超音波画像を表示させるかを制御したほうがよい。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る超音波診断装置１は、画像解析機能１４１を有する位置情報取得部１４を備え、被検体に挿入される器具とプローブ１０との位置関係情報を超音波画像に基づいて求め、走査させる振動子アレイ１０１を切り替える。以下、第１の実施形態にかかる超音波診断装置１と同等な構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図８は、第２の実施形態にかかる超音波診断装置１の概略図を示す。第１の実施形態と異なる点は、位置情報取得部１４が画像解析機能１４１を有することである。本実施形態では、画像解析機能１４１、画像生成機能１５１、走査制御機能１５２、判定機能１５３は、コンピュータによって実行可能なプログラムの形態で記憶回路１７に記憶されている。位置情報取得部１４と処理回路１５は、プログラムを記憶回路１７から読み出し、実行することで各プログラムに対応する機能を実現するプロセッサである。換言すると、各プログラムを読み出した状態の処理回路１５は、図１の処理回路１５内に示された各機能を有することとなる。また、図１の位置情報取得部１４内に示された画像解析機能１４１を有することとなる。なお、図１においては単一の処理回路上で、画像生成機能１５１、走査制御機能１５２、判定機能１５３の各機能が実現されるものとして説明しているが、複数の独立したプロセッサを組み合わせて処理回路を構成し、各プロセッサがプログラムを実行することにより機能を実現するものとしても構わない。また、位置情報取得部１４と処理回路１５とが単一の処理回路で構成されていても構わない。

位置情報取得部１４は、プローブ１０と穿刺針２０の位置関係情報を取得する。位置関係情報は、例えばプローブ１０に対する穿刺針２０の相対的な２次元座標情報や、プローブ１０と穿刺針２０との距離情報である。

位置情報取得部１４は、画像解析機能１４１を有する。画像解析機能１４１は、被検体に挿入される器具である穿刺針２０の像が映し出された超音波画像が入力されると、穿刺針２０に対応する画像成分を検出して、超音波画像内における穿刺針２０の２次元座標情報を出力する。穿刺針２０の画像成分の検出には、例えばパターンマッチングを用いる。パターンマッチングでは、穿刺針の形状のテンプレートを用意し、超音波画像中の、テンプレートに近い形状の像を穿刺針と認識する。穿刺針２０の画像成分を検出した後、超音波画像上の任意の点を原点とした穿刺針２０の例えば先端部の２次元座標情報が算出される。

また、画像解析機能１４１は、超音波画像を生成するための超音波信号を受信した振動子アレイ１０１の走査方向と、振動子アレイ１０１のプローブ上における配置位置情報とを取得することにより、算出した穿刺針２０の先端部から振動子アレイ１０１の走査面を含む平面までの距離を算出することができる。

以下に、入力回路１８が術者（操作者）からの入力を受け付け、走査させる振動子アレイ１０１の自動切り替え処理が開始され、終了されるまでの流れについて、第１の実施形態とは処理が異なる図３のステップＳ４、Ｓ５、Ｓ９、Ｓ１０を説明する。

ステップＳ４は、位置情報取得部１４が位置関係情報を取得するステップである。位置情報取得部１４は、例えば、画像解析機能１４１が出力する、穿刺針２０の第１の超音波画像における２次元座標情報である。ステップＳ４では、主として走査させるのは第２の振動子アレイ１０１ｂであるが、画像解析機能１４１に入力するために、第２の超音波画像の生成に加えて、第１の超音波画像の生成も行う。例えば、一度に走査可能な振動子アレイ１０１が１つに限られている場合は、主として走査を行う第２の超音波画像の生成よりも低い頻度で第１の超音波画像を生成させる。例えば、１０フレームの超音波画像を生成する場合、９フレーム分の超音波画像の生成は第２の振動子アレイ１０１ｂで行い、残る１フレーム分の超音波画像の生成は第１の振動子アレイ１０１ａで行う。
なお、例えば複数種類の振動子アレイ１０１が同時に超音波信号を受信して複数の超音波画像が生成できる場合は、画像解析機能１４１が第１の超音波画像と第２の超音波画像から位置関係情報の取得に用いる超音波画像を選択して用いる。

ステップＳ５は、処理回路１５の判定機能１５３が、穿刺針２０が第１の振動子アレイ１０１ａの走査面に十分近づいたかどうかを判定するステップである。例えば、第１の振動子アレイ１０１ａで走査して生成される第１の超音波画像を画像解析機能１４１が解析して穿刺針２０の像が検出された場合、穿刺針２０が第１の振動子アレイ１０１ａの走査面に十分近づいたと判定する。このときの第１の超音波画像の例を図９（ａ）に示す。図９（ａ）では、第１の超音波画像の縁に近いところに穿刺針２０の先端部が映し出されている。

判定機能１５３が、穿刺針２０が第１の振動子アレイ１０１ａの操作面に十分近づいたと判断した場合は、ステップＳ６へ進み、そうでない場合は、ステップＳ４へ戻る。

ステップＳ９は、ステップＳ４と同様に位置情報取得部１４が位置関係情報を取得するステップである。位置関係情報は、例えば、画像解析機能１４１が出力する穿刺針２０の第１の超音波画像における２次元座標情報である。

ステップＳ１０は、判定機能１５３が、穿刺針２０が第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面に十分近づいたかどうかを判定する。例えば、図９に示すように、超音波画像上に、穿刺針２０が第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面に十分近づいたかを識別するための境界を設ける。図９では、第１の超音波画像の垂直方向にのびる破線で境界線Ｂを示している。この第１の超音波画像では、左側に第２の振動子アレイ１０１ｂが位置するので、境界線Ｂが第１の超音波画像の左端付近に設けられている。図９（ｂ）のように穿刺針の先端部が境界線Ｂを越えた場合を、穿刺針２０が第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面に十分近づいたと判定する。判定方法はこれにかぎらず、例えば、穿刺針２０の先端部の像が第１の超音波画像の領域内で見えなくなった時を、穿刺針２０が第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面に十分近づいた時と判定してもよい。

なお、穿刺針２０の先端部が境界線Ｂ上に位置した場合は、直前に取得した穿刺針２０の２次元座標情報から穿刺針２０の進行方向を求め、進行方向が第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面へ近づく方向であれば、判定機能１５３が穿刺針２０が第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面に十分近づいたと判定する。また、穿刺針の先端部が境界線Ｂ上に位置した場合は判定を見送ってもよい。

以上、被検体に挿入される器具を穿刺針２０として説明したが、位置情報取得部１４で位置が取得でき、被検体の診断や治療に用いられる器具であれば、本実施形態と同様な効果を得られる。

上述した第２の実施形態によれば、位置情報取得部１４の画像解析機能１４１が超音波画像から穿刺針２０の像を検出して、穿刺針２０の２次元座標情報を出力する。判定機能１５３は、穿刺針２０の２次元座標情報に基づいて、第１の振動子アレイ１０１ａと第２の振動子アレイ１０１ｂとのうちいずれの振動子アレイ１０１で走査するかを判定する。これにより、第１の実施形態と同様に、術者が穿刺針２０の位置に応じて、走査させる振動子アレイ１０１を手動で変更する必要がなくなる。また、磁気センサなどの位置センサ１４１が備えられていない超音波診断装置１であっても、超音波画像の解析で穿刺針と第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面との位置関係情報が取得できるので、超音波診断装置１に新たな機器を導入する必要がない。

以上説明した少なくとも１つの実施形態の超音波診断装置１によれば、位置情報取得部１４が穿刺針２０と第２の振動子アレイ１０１ｂの走査面との位置関係情報を取得し、位置関係情報に基づいて走査させる振動子アレイ１０１を切り替えることにより、人手を増やすことなく安全に穿刺することができる。

なお、以上説明した少なくとも１つの実施形態において用いた「プロセッサ」という文言は、例えば、CPU（Central Processing Unit）、GPU(Graphics Processing Unit)、あるいは、特定用途向け集積回路（Application Specific Integrated Circuit：ＡＳＩＣ））、プログラマブル論理デバイス（例えば、単純プログラマブル論理デバイス（Simple Programmable Logic Device：ＳＰＬＤ）、複合プログラマブル論理デバイス（Complex Programmable Logic Device：ＣＰＬＤ）、及びフィールドプログラマブルゲートアレイ（Field Programmable Gate Array：ＦＰＧＡ））等の回路を意味する。プロセッサは記憶回路１７に保存されたプログラムを読み出し実行することで機能を実現する。なお、記憶回路１７にプログラムを保存する代わりに、プロセッサの回路内にプログラムを直接組み込むよう構成しても構わない。この場合、プロセッサは回路内に組み込まれたプログラムを読み出し実行することで機能を実現する。なお、本実施形態の各プロセッサは、プロセッサごとに単一の回路として構成される場合に限らず、複数の独立した回路を組み合わせて１つのプロセッサとして構成し、その機能を実現するようにしてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 超音波診断装置
１０ プローブ
１０１ 振動子アレイ
１０１ａ 第１の振動子アレイ
１０１ｂ 第２の振動子アレイ
１１ 送信回路
１２ 受信回路
１４ 位置情報取得部
１５ 処理回路
１６ ディスプレイ
１７ 記憶回路
１８ 入力回路
２０ 穿刺針
２１ 穿刺ガイド
３０ 前立腺
３１ 直腸

Claims (8)

1. 被検体に挿入される器具を観察可能なプローブであって、前記器具の挿入方向と平行な面で超音波走査する第１の振動子アレイと前記第１の振動子アレイの走査面とは異なる面を超音波走査する第２の振動子アレイとを備えたプローブと、
   前記第１の振動子アレイが受信した超音波信号に基づいて第１の超音波画像を生成し、前記第２の振動子アレイが受信した超音波信号に基づいて第２の超音波画像を生成する、画像生成部と、
   前記第１の超音波画像と前記第２の超音波画像とのうち少なくとも１つを表示する表示部と、
   前記器具と前記第２の振動子アレイの走査面との位置関係情報を取得する位置情報取得部と、
   前記位置情報取得部が取得した位置関係情報に基づいて、前記第１の振動子アレイと前記第２の振動子アレイとのうちどちらで走査するかを判定する判定部と、
   を備えた超音波診断装置。
2. 前記判定部によって走査可能とすると判定された振動子アレイに対応する超音波画像は、前記振動子アレイが受信した超音波信号に基づいて前記画像生成部によって順次生成され、動画像として前記表示部に表示される、
   請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 走査させる振動子アレイが前記判定部の判定に基づいて切り替わる場合に、前記画像生成部は、切り替え後に走査中となる振動子アレイに対応する超音波画像と、切り替え後に走査が停止する振動子アレイに対応する超音波画像とを並べた表示画像を生成し、
   前記表示画像における、切り替え後に走査を停止する振動子アレイに対応する超音波画像は、切り替え直前に生成された静止画像で前記表示部に表示される、
   請求項１または請求項２に記載の超音波診断装置。
4. 前記画像生成部は、走査中の振動子アレイに対応する超音波画像を強調した表示画像を生成し、
   前記表示部は前記表示画像を表示する、
   請求項１ないし請求項３のうちいずれか１項に記載の超音波診断装置。
5. 前記位置情報取得部は、前記器具と前記プローブの位置関係情報を出力する位置センサを有し、
   前記位置関係情報に基づいて前記器具と前記第２の振動子アレイの走査面との距離を求める、
   請求項１ないし請求項４のうちいずれか１項に記載の超音波診断装置。
6. 前記位置情報取得部は、前記第１の超音波画像における前記器具に対応する画像成分を検出して前記器具の位置情報を出力する画像解析部を有し、
   前記画像解析部は前記器具の位置情報に基づいて前記器具と前記第２の振動子アレイの走査面との距離を求める、
   請求項１ないし請求項４のうちいずれか１項に記載の超音波診断装置。
7. 被検体に挿入される器具を観察可能なプローブであって、前記器具の挿入方向と平行な面で超音波走査する第１の振動子アレイと前記第１の振動子アレイの走査面とは異なる面を超音波走査する第２の振動子アレイとを備えたプローブと、
   前記第１の振動子アレイが受信した超音波信号に基づいて第１の超音波画像を生成し、前記第２の振動子アレイが受信した超音波信号に基づいて第２の超音波画像を生成する、画像生成部と、
   前記第１の超音波画像と前記第２の超音波画像とのうち少なくとも１つを表示する表示部と、
   前記器具と前記第２の振動子アレイの走査面との位置関係情報を取得する位置情報取得部と、
   前記位置情報取得部が取得した位置関係情報に基づいて、前記第１の超音波画像と前記第２の超音波画像とのうちいずれの超音波画像を動画像として生成させるかを判定する判定部と、
   を備えた超音波診断装置。
8. 被検体に挿入される器具を観察可能なプローブであって、前記器具の挿入方向と平行な面で超音波走査する第１の振動子アレイと前記第１の振動子アレイの走査面とは異なる面を超音波走査する第２の振動子アレイとを備えたプローブと、
   前記第１の振動子アレイが受信した超音波信号に基づいて第１の超音波画像を生成し、前記第２の振動子アレイが受信した超音波信号に基づいて第２の超音波画像を生成する、画像生成部と、
   前記第１の超音波画像と前記第２の超音波画像とのうち少なくとも１つを表示する表示部と、
   前記器具と前記第２の振動子アレイの走査面との位置関係情報を取得する位置情報取得部と、
   前記位置情報取得部が取得した位置関係情報に基づいて、前記第１の超音波画像と前記第２の超音波画像とのうちいずれの超音波画像を強調表示させるかを判定する判定部と、
   を備えた超音波診断装置。

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